专利名称：位移测量方法
技术领域：
本发明涉及一种位移測量方法，尤其是涉及对位移实现实时判断方向的測量方法。
背景技术：
纳米测量是纳米科学发展的基础，而纳米科学主要是研究、发现和加工结构尺寸小于100纳米的材料、器件和系统，以获得所需要的功能和性能，并已经在材料、化学、生物、能源和医药卫生等领域得到广泛应用。随着纳米时代的到来，对纳米尺度的产品进行检测的需求日益増大，同时也对纳米测量技术提出了更高的要求。纳米测量需要在毫米级的测量范围内达到纳米级的分辨率，同时需要综合考虑环境条件、系统复杂程度及溯源性等方面的要求。纳米测量技术按照量程、分辨率和測量不确定度的标准，可以分为两大类:ー类是激光干渉仪技术，其特点是量程大，可达几十米，但对小于半个光波长的位移需要用电子鉴相等细分方法来实现；另ー类是差拍法布里-拍罗(Fabry-Perot,F-P)干涉仪技术、X射线干渉仪技术、光学+X射线干涉仪技术、频率測量技术和光频梳技术等，他们的特点是分辨率和測量不确定度低，可达亚纳米甚至皮米量级。然而激光干渉仪技术由于电子噪声等非线性误差的影响，半波长以内的位移测量并不可靠，因此难以满足高分辨率的要求。而差拍法布里-珀罗干渉仪技术等的量程小，一般在微米量级，限制了其应用范围。基于激光回馈的位移測量方法具有结构简単、自准直和性价比高的优点。然而，传统的利用激光回馈测量位移的測量方法中，利用高、低等光强点进行计数实现计算位移的大小，而无法实现实时判定位移的方向。
发明内容
综上所述，确有必要提供ー种能够实时判断方向的位移測量方法。一种位移測量方法，包括以下步骤:提供一位移測量系统，所述位移測量系统包括一激光器以及ー数据采集及处理单元，所述激光器输出的激光分成具有位相差的O光、e光分量；所述数据采集及处理单元将所述O光的光强信号转换为电压信号V。，将所述e光的光强信号转换为电压信号I，并求取O光和e光的光强之和得到总功率调谐曲线Vt，其中，vt=v0+ve;判定方向:将某ー时间点采集到的信号Vtjl及Vel进行加和得到Vtl，于该时间点之后相邻的ー个时间点采集到的信号\2及Ve2进行加和得到Vt2，将所述Vtl与Vt2进行作差，得到差分值A (Vt)，即，A (Vt)=Vt2 — Vtl，并计算I，其中，I=A (Vt) X (V0-Ve)，当I值大于0时，判定位移的方向为第一方向；当I值小于0时，判定位移的方向为第二方向，所述第二方向与第一方向相反。与现有技术相比较，本发明提供的位移測量方法，利用了两束正交偏振激光光强信号的总输出光强的变化趋势和两束正交偏振激光的大小关系，实现了实时判向，因此方法更加简単，具有广阔的应用前景。
图1是本发明实施例提供的位移測量系统的结构示意图。图2为本发明实施例所述猫眼逆反器沿第一方向移动时两束正交的偏振光及总输出光强的变化规律。图3为本发明实施例所述猫眼逆反器沿第二方向移动时两束正交的偏振光及总输出光强的变化规律。图4为本发明实施例所述不足八分之一波长的细分计数的细分示意图。主要元件符号说明
权利要求
1.一种位移測量方法，包括以下步骤: 提供一位移測量系统，所述位移測量系统包括一激光器以及ー数据采集及处理单元，所述激光器输出的激光分成具有位相差的O光、e光分量； 所述数据采集及处理单元将所述0光的光强信号转换为电压信号V。，将所述e光的光强信号转换为电压信号I，并求取0光和e光的光强之和得到总功率调谐曲线Vt，其中，vt=v0+ve ； 判定方向:将某ー时间点采集到的信号V01及Vel进行加和得到Vtl，于该时间点之后相邻的ー个时间点采集到的信号\2及Ve2进行加和得到Vt2，将所述Vtl与Vt2进行作差，得到差分值 A (Vt), BP, A (Vt)=Vt2 - Vtl，并计算 I，其中，I=A (Vt) X (V。-、)，当 I 值大于 O 吋，判定位移的方向为第一方向；当I值小于O时，判定位移的方向为第二方向，所述第二方向与第一方向相反。
2.如权利要求1所述的位移測量方法，其特征在于，所述激光器包括一猫眼逆反镜、一双折射元件、ー增透窗片、一増益管、以及ー输出镜沿输出激光的轴线依次共轴设置，所述双折射元件设置于猫眼逆反镜与所述增透窗片之间，井分别与所述猫眼逆反镜及所述增透窗片间隔设置用以产生分频激光。
3.如权利要求2所述的位移測量方法，其特征在干，所述数据采集及处理单元包括一偏振分光片靠近所述输出镜设置以接收激光器输出的激光，并将激光分成O光及e光,一第一光电探测器及第ニ光电探测器与所述偏振分光片间隔设置以接收所述O光及e光并转换为两路电信号，一电压放大电路与所述第一光电探测器及第ニ光电探测器电连接并对两路电信号进行电流/电压转换及放大，一第一模拟/数字转换器及第ニ模拟/数字转换器处理得到分别对应于0光及e光的功率调谐曲线V。及I，一主控芯片与所述第一模拟/数字转换器及第ニ模拟/数字转换器电连接以进行数据处理。
4.如权利要求1所述的位移測量方法，其特征在于，所述位移測量方法还包括位移的大小的測量，具体包括以下步骤: (1)计大数:在Vt的一个变化周期内，比较V。与Ve的大小，并舍弃其中较小的值，保留其中较大的值，所述V。与V6的保留值形成一“M”形信号，信号处理单元11记录以下四个点为特殊计数点:低等光强点\、V0的最大值V_x、高等光强点Vh、及Ve的最大值Vanax，其中，Vl < Vh，所述四个特殊计数点均分所述Vt的一个变化周期，当激光器每输出所述四个特殊计数点中任意ー个特殊计数点，位移计数N增加I; (2)建表:将所述“M”形信号归ー化，横坐标为位移，纵坐标为相对电压的无量纲数值，得到位移与相对电压的对应关系表； (3)查表计小数:通过步骤(2)中所述位移与相对电压的对应关系表，获得每一采样点对应的精确位移X ； (4)加和:计算位移量S，其中，S=(入/8)XN+x，入为激光器的波长，N为步骤(I)得到的位移计数值，X为步骤(3)得到的精确位移。
5.如权利要求4所述的位移測量方法，其特征在于，在步骤(I)中所述激光器每输出所述四个特殊计数点中任意 ー个特殊计数点，位移的大小増加、/8。
6.如权利要求4所述的位移測量方法，其特征在于，在步骤(2)中选取所述0光和el的功率调谐曲线中线性度大于99%对应的“M”形信号进行归一化。
7.如权利要求6所述的位移測量方法，其特征在于，所述“M”形信号保留Q个有效电压值，并对“M”形信号采用该采样周期的最大、最小值进行归ー化，其中Q为自然数。
8.如权利要求7所述的位移測量方法，其特征在干，所述“M”形信号各处的变化率不同，在变化率较大的点之间通过插值法继续得到中间位移点对应的相对电压值。
9.如权利 要求4所述的位移測量方法，其特征在于，所述精确位移X的分辨率为I纳米。
全文摘要
本发明提供一种位移测量方法，包括以下步骤提供一位移测量系统，所述位移测量系统包括一激光器以及一数据采集及处理单元，所述激光器输出的激光分成具有位相差的o光、e光分量；所述数据采集及处理单元将所述o光的光强信号转换为电压信号Vo，将所述e光的光强信号转换为电压信号Ve，并求取o光和e光的光强之和得到总功率调谐曲线Vt，其中Vt=Vo+Ve；判定方向对信号Vt求差分Δ(Vt)，并计算I，其中I=Δ(Vt)×(Vo-Ve)，当I值大于0时，判定位移的方向为第一方向；当I值小于0时，判定位移的方向为第二方向，所述第二方向与第一方向相反。
文档编号G01B11/02GK103115573SQ20131003570
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者张书练, 牛海莎, 谈宜东 申请人:清华大学